JPH0128348B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電気的測定技術、特に新規で改良され
た非接触型電圧計に関するものである。

静電電圧計は電流を流さずに非接触方法によつ
て面の静電界および電位を測定する。プローブも
しくは探測手段（probe）またはセンサ
（sensor）が静電界または表面電位を交流電圧に
変換する。この交流電圧の大きさは測定される静
電界または電位に比例する。この変換は容量変調
方法（capaoitive modulation process）によつ
て行なわれる。すなわち、プローブの検出器ない
し電極と測定さる電界または電位を有する面との
間の静電結合（capacitive coupling）を固定し
た周期率で変調ないし変化させる。これは普通こ
のような周期率で検出器を機械的に振動させるこ
とによつて行なわれる。そして、試験面と電極の
間の電位差によつてプローブの電極に誘起された
交流電圧を適当な回路で処理して測定値を得る。

従来より、静電電圧ホロワ（electrostatic
voltage follower）の帯域幅は静電検出器の動作
ないし振動周波数に限定されている。検出器は普
通機械的に振動させられるが、この場合検出器を
試験面と平行な平面内において振動させ試験面と
の間に介在させた穴あき壁によつて検出器を試験
面に対して交互に露呈遮蔽するか、あるいは試験
面と直交する平面において振動させるようにして
いる。

上記帯域幅の制限が生じるのは、検出器の平均
電圧レベルを測定される未知の電位へ帰還させる
ためにこの種の電圧ホロワに用いられる帰還
（feedback）は検出器の変調信号の数サイクルの
間平均ないし少なくとも安定したレベルにある必
要があるという事実の故である。

ナイキストサンプリング定理（Nyquist
Sampling Theorem）によれば、サンプリング
システムの帯域幅はサンプリング率の半分を越え
ることができない。現在の変調検出器型の静電電
圧計において、機械的変調率は１〜2kHzを越え
ず、従つて理論的最大帯域幅は500Hz〜1000Hzで
ある。

本発明の目的は、電圧ホロワ型の新規で改良さ
れた非接触型電圧計を提供することである。

本発明の他の目的は、拡張された帯域幅を有す
る上述の装置を提供することである。

本発明の他の目的は、測定される外部電界ない
し電位の静的および動的特性に追随することがで
きる上述のような装置を提供することである。

本発明のさらに他の目的は、能率的かつ効果的
に動作し、構造が比較的簡単な上述の装置を提供
することである。

本発明の装置は一対の電圧感応電極と、これら
の電極に作用接続された電気的基準と、前記電極
とこれらの電極が露呈される電界ないし電位との
間の静電結合を互いに逆の態様で変化させてこれ
らの電極に信号を発生させる手段とからなる。

本発明の装置にはプローブを備えることができ
このプローブは前記電極を収容するとともにこれ
らの電極を電界ないし電位に露呈するための開口
を穿設した作用面を有するハウジングと、前記電
極を前記開口に対して振動させこの振動率の関数
として静電結合を変化させる手段とからなる。ハ
ウジングの作用面は導電性であり基準として作用
する。

本発明の装置は、さらに、電圧ホロワ
（voltage follower）として接続された増幅器と、
前記電極および前記電圧ホロワに接続された信号
処理手段とからなり、この信号処理手段は前記電
極に誘起された信号から引き出された電界ないし
電位の静的および動的データを含む信号を前記増
幅器に加える。この増幅器の出力は電極の電気的
基準点に接続され、この出力は電界または電位の
静的および動的特性に追従する。

信号処理手段は第１チヤネルと第２チヤネルと
で構成することができ、第１チヤネルでは電極に
誘起された信号の和が前記ホロワの入力に与えら
れ、第２チヤネルは電極に誘起された信号の差が
復調、積分されてホロワの入力に与えられる。

このような構成のほかに、信号処理手段は上記
和信号と差信号を同時に処理し、単一の回路ない
しチヤネルによつて和信号と復調差信号をホロワ
の入力に加えるように構成することもできる。

以下図示実施例を詳細に説明する。

第１図は基本的な静電電圧センサを示す。この
センサの検出面Ｄは試験面Ｔに対して矢印１０の
方向に振動する。検出面Ｄと試験面Ｔの間の静電
容量をＣ、またこれら両面間の電圧をＶで示す。
検出面Ｄを矢印１０の方向に振動させることによ
つて変調（modulation）が行なわれる。端子１
２と１４の間に現われる抵抗Ｒの両端間の電圧
は、電圧Ｖと検出面Ｄの振動による容量Ｃの変調
に比例する。

電圧Ｖの代りに検出面Ｄの振動周波数に等しい
周波数を有する正弦波電源を使用しても、同じ電
圧が抵抗Ｒの両端間に発生する。換言すれば、第
１図の検出システムはこれら二つの異なる電源の
差を識別することができない。すなわち、この検
出システムは、誘起された信号が検出器と試験面
の間の固定電位差に対して検出器の振動に起因す
るのか、あるいは試験面によつて発生された同じ
周波数の交流信号なのかを識別することができな
い。

検出器の面Ｄと試験面Ｔの間の電荷は公知の関
係式Ｑ＝CVによつて得られる。ここにＣおよび
Ｖは前述したとおりである。出力電圧を発生する
抵抗Ｒに流れる全電流は前記式の全微分によつて
得られる。すなわち、 ｉ＝dQ／dt＝ＶdC／dt＋ＣdV／dt 本発明によれば、上式の右辺の二項を識別する
検出器を有するシステムが得られる。

本発明のシステムは検出器の基準面に帰還せし
められたとき、二つの異なる成分、すなわち平均
ないし直流値ＶdC／dt（ここにＶは平均値）および 交流ないし動的値（dynamic value）ＣdV／dt（こ こにdV／dtは交流ないし動的値）を表わす出力、あ るいは、これらの値に追従する出力を帰還系にお
いて確立するのに役立つ。

本発明のプローブないし検出器１８は第２図に
概略的に示されており、試験面２０に近接配置さ
れる。図示例では、試験面２０はプローブ１８の
面に対して定電圧２２の帯電面である。

プローブ１８は中空の円筒状をなすハウジング
２４からなり、このハウジングは開口２８を備え
た作用端面２６を有している。作用端面２６はこ
れに印加された電位を保持ないし維持できる材
料、好ましくは金属のような導電性材料で作られ
る。図示例では、ハウジング２４全体がこの種の
材料で作られている。

作用面２６は円筒状ハウジング２４の一端面で
あるが、後述のようにハウジングのどの部分に配
置されてもよい。開口２８は図示例では円形であ
るが、他の形状であつてもよい。ハウジング２４
の反対側の端面は閉止されており、やがて詳述す
るようにリード線を通すための一つないし複数の
孔が設けられている。

プローブ１８はさらに第１および第２の電圧感
応電極３２および３４を有し、プローブの作用面
２６および開口２８に向けて配置された作用面を
それぞれ有している。電極３２，３４は、ハウジ
ング２４内に配備された電気・機械トランスデユ
ーサからなる振動手段ないしバイブレータ３６に
固定されている。

駆動信号がトランスデユーサ３６に与えられる
と、この信号の周波数および振幅並びにトランス
デユーサ３６の機械的特性によつて決定される振
動周波数および振幅で電極３２，３４を振動させ
る。例えば、トランスデユーサ３６は音さ
（tuningfork）からなり、その歯ないし指の一端
には電極３２，３４が、また、これと反対側の端
には圧電結晶駆動子がそれぞれ付設されている。
音さ型振動装置の詳しい説明については1974年12
月３日発行の米国特許第3852667号を参照された
い。

トランスデユーサ３６の動作に応答して、各電
極３２，３４は測定される電位を有する試験面２
０に開口２８を通して露呈された電極の作用面の
面積を変化させる方向に振動ないし交互に動かさ
れる。すなわち、各電極３２，３４の作用面はプ
ローブの作用面２６の開口２８の平面に対してほ
ぼ平行な平面内に配置されており、この平面内で
振動する。各電極３２，３４の作用面は開口２８
の少なくとも一部分に一致したり外れたりするよ
うに動かされる。すなわち、各電極は各振動周期
において電極作用面の最大部分が露呈される位置
と、電極作用面の最少部分が露呈される（好まし
くはいかなる部分も露呈されない）位置との間を
動かされる。これについてはやがて詳述する。

プローブ１８はさらに第１および第２のホロワ
型増幅器（follower type amplifiers）４０，４
２からなる。線４４が検出器３２を増幅器４０の
入力端子に接続し、線４６が検出器３４を増幅器
４２の入力端子に接続している。増幅器４０，４
２はそれぞれ検出器３２，３４に非常に高いイン
ピーダンス負荷を与える。

増幅器４０の出力は線４８によつてハウジング
２４の外に導出されプローブ端子５０を介して外
部回路に接続される。同様に、増幅器４２の出力
は線５２によつてハウジング２４の外に導出され
プローブ端子５４を介して外部回路に接続され
る。増幅器４０，４２の基準端子はそれぞれ線５
６，５８によつて電気的基準を与えるハウジング
２４の点６０に接続されている。

図示のシステムにおいては、作用面２６を含む
ハウジング全体が導電性材料で作られている。こ
のような構成の代りに、作用面２６のみを導電性
材料とすることもでき、この場合は、基準点６０
とこの基準点への接続手段は作用面２６上に設け
る。

トランスデユーサ３６はハウジング２４の外に
導出された線６２によつてプローブ端子６４に接
続され、この端子を介して後述のようにトランス
デユーサの電気的動作信号供給源に接続されてい
る。もう一つのプローブ端子６６が導電性ハウジ
ングを介して基準点６０に電気的に接続されてい
る。

第３図は、振動手段３６によつて電極３２，３
４を振動させ、その検出面を開口２８を介して交
互に露呈遮蔽する態様を示す。すなわち、第３Ａ
図はトランスデユーサ３６の機械的振動周期の一
端における電極３２と３４の相対的位置を示す。
この位置において、電極３２は開口２８を介して
試験面２０に完全に露呈され、一方、電極３４は
試験面２０から完全に遮蔽されている。従つて、
電極３２への静電結合は最大となり、電極３４へ
の静電結合は最少または零になる。

第３Ｂ図は、第２図に示すトランスデユーサ３
６の休止位置における電極３２，３４の開口２８
に対する位置を示す。この位置はトランスデユー
サの機械的振動周期の中点でもある。この位置に
おいては、電極３２，３４の等しい面積部分が開
口２８を介して試験面２０に露呈される。両電極
が第３Ａ図の位置から第３Ｂ図の位置に変位する
につれて、電極３２と試験面の間の静電結合は減
少し、一方試験面と電極３４の間の静電結合は増
加する。

第３Ｃ図はトランスデユーサ３６の機械的振動
周期の第３Ａ図とは反対の端における電極３２，
３４の位置を示す。この位置においては、電極３
４の面全体が開口２８を介して試験面２０に露呈
されており、一方電極３２の面全体は試験面２０
から遮蔽されている。両電極が第３Ｂ図の位置か
ら第３Ｃ図の位置に変位するにつれて、電極３２
と試験面の間の静電結合はさらに減少して最少ま
たは零になり、一方電極３４と試験面の静電結合
はさらに増加して最大になる。

トランスデユーサの機械的振動の全周期にわた
り電極３２，３４が開口２８を介して試験面２０
に露呈される表面積の和はほぼ同じである。換言
すれば、トランスデユーサの機械的振動の全周期
にわたつて開口２８を介して試験面に露呈される
電極３２，３４の全表面積は実質上一定に保たれ
る。電極３２，３４の作用面は図示例では円形で
あるが他の形状でもよい。

第４図の波形は、プローブ１８がその作用面お
よび増幅器４０，４２の共通ないし基準回路に対
して定電圧を有する試験面２０に近接して配置さ
れ、かつトランスデユーサ３６が正弦波信号によ
つて動作されたときの増幅器４０，４２の出力信
号を示す。すなわち、波形７０は端子５０と６６
の間に現われる信号、波形７２は端子５４と６６
の間に現われる信号である。

トランスデユーサ３６の完全な一周期は第４図
にＴで示される。これはトランスデユーサが例え
ば第３Ｂ図の位置から第３Ａ図の位置へ、そして
第３Ａ図の位置から第３Ｂ図の位置を通つて第３
Ｃ図の位置へ、さらに第３Ｂ図の位置へ戻る期間
である。

これらの波形を発生させる電極３２，３４上の
信号は、レート誘起信号（rate induced signal）
であり、dC／dtが最大のときに最大となる。これは 電極の最大速度点すなわち、電極が第３Ｂ図の中
間位置を通るときに生じる。波形の符号の変化は
第３Ａ図および第３Ｃ図の位置で生じ、ここで電
極の運動は静電結合を減少させる方向から増加さ
せる方向へと変化する。

本発明によれば、第４図の二つの信号を例えば
第５図の電圧加算回路で加算すると、これら二つ
の信号は互いに相殺され、ホロワ増幅器の共通点
に電気的に接続された電極３２，３４の面と試験
面２０との間の定電圧差に対しては何らの正味信
号も発生しない。

加算された信号は端子５０′と５４′の間に接続
された直列抵抗７４，７６の間の端子７８から取
り出される。試験面２０上に動的データ
（dynamicdata）が現われると、それは二つの検
出器のどちらが開口２８に露呈されているかによ
り検出器３２もしくは３４またはこれら両検出器
に結合される。このような動的データは出力の加
算によつて相殺されることがなく、また、検出器
３２，３４上の動的データの和は比較的一定であ
るので、このデータはトランスデユーサ３６の位
置によつて減衰されることなく、増幅器４０，４
２に接続された加算回路の出力に現われる。端子
７８上の動的データは振動エレメント３６の位置
に無関係である。

本発明によれば、増幅器４０，４２の出力の和
の信号は電圧ホロワ回路の入力に結合される。こ
の回路は増幅器４０，４２とプローブ１８の共通
ないし基準点に接続された出力を有し、後述のよ
うにして試験面における動的変化に追従する高忠
実度ホロワ（high fidelity follower）として機
能する。

増幅器４０，４２の出力は、二つの信号の差を
検知しプローブ１８と試験面２０の間の定電圧の
大きさに比例する差信号を発生する回路にも加え
られる。この差信号もまた動的データを含むこと
ができる。これは振動エレメント３６の位置が第
２図、第３Ｂ図に示す休止位置にあるときのみ動
的データが相殺されるからである。振動エレメン
ト３６が他の位置にあるときは、試験面２０と電
極３２および３４の間の結合は等しくなく、従つ
て正味の差信号を発生する。このような動的デー
タはやがて説明するように除去することができ
る。

第５図の回路において、ホロワ４２′の出力端
子５４′は抵抗８２を介して演算増幅器８４の負
端子に接続されている。演算増幅器８４の正端子
は回路の基準点に接続されている。増幅器８４の
出力は抵抗８６を介して同じ増幅器の負の入力端
子に接続されている。増幅器８４の出力はまた直
列抵抗８８，９０を介してホロワ増幅器４０′の
出力端子５０′にも接続されている。差信号は抵
抗８８と９０の接続点に接続された端子９２から
得られる。

第６図、第７図は本発明の電圧ホロワ型の非接
触式電圧計を示す。第６図は試験面２０′上の静
的データおよび動的変化の両方に追従する高忠実
度ホロワを含む非接触式電圧計を示す。動的デー
タは交流電源９６によつて表わされ、動的データ
は直流電源ないし電池９８によつて表わされる。

第６図のプローブ１８は第２図のプローブと同
様であつて、指針１０４および目盛１０６を含む
指示計１０２内の適当な回路にケーブル１００に
よつて接続され、測定された静的データの値は指
示計上で読み取られる。指示計は線１０７，１０
８によつて動的データを読み取るためのオシロス
コープ１０９に接続されている。静的データおよ
び動的データを単一の装置によつて読み取ること
ができるように構成することもできる。

第７図は第６図のシステムのプローブ１８から
送られてくる情報を処理する回路の一実施例を示
す。プローブ１８は第７図では一部分のみしか示
されていないが、第２図のプローブ１８と同じも
のである。なお、第７図に示されたプローブ端子
５０，５４，６４，６６を処理回路に接続する線
はケーブル１００内に収容されている。

直列接続された抵抗１１０，１１２が端子５０
と５４の間に接続されている。これら二つの抵抗
の接続点ないし端子１１４には、プローブ１８内
の増幅器４０，４２の出力の和の信号が現われ
る。

これら二つの増幅器の出力信号の差は直列接続
された抵抗１１６，１１８を含む回路の接続点な
いし端子１２０に現われる。抵抗１１６は抵抗１
２２を介してプローブ端子５０に接続され、抵抗
１１８は演算増幅器１２６の出力に接続されてい
る。この増幅器１２６の負の入力端子は直列抵抗
１２８，１３０を介してプローブ端子５４に接続
されている。帰還抵抗１３２が増幅器１２６の出
力端子と負の入力端子の間に接続されている。増
幅器１２６の正の入力端子は線１３４によつて回
路の基準線である線１３６に接続され、この線１
３６は端子６６に接続されている。端子６６はプ
ローブのハウジングとこのハウジング内の増幅器
４０，４２の共通点に接続されている。

コンデンサ１４０が抵抗１１６と１２２の接続
点と基準線１３６の間に接続され、コンデンサ１
４２が抵抗１３０と１２８の接続点と基準線１３
６の間に接続されている。増幅器４０と４２の出
力の差を表わす信号が端子１２０に表われる。

第７図の回路はさらに発振器１５０を含み、こ
の発振器の出力は線１５２によつてプローブの端
子６４に接続されている。発振器１５０はプロー
ブ１８内のトランスデユーサ３６を動作させる駆
動信号を提供する。発振器１５０は例えば交流出
力信号を発生することができ、この信号はトラン
スデユーサ３６の一つの圧電素子に与えられる。
トランスデユーサ３６のもう一つの圧電素子が帰
還信号を発振器１５０に与える。このようにこの
フイードバツクによつてトランスデユーサを共振
素子として使用し、発振器１５０をトランスデユ
ーサエレメントの機械的共振で動作させることが
できる。

第７図の回路は、さらに、復調器１５６を含み
前述の接続点ないし端子１２０が線１５８によつ
て復調器１５６の入力に接続されている。これに
よつて、プローブ１８のホロワ増幅器４０と４２
の出力の差の信号が復調器１５６の入力に与えら
れる。

復調器１５６と発振器１５０を同期させるため
に、これら両者を線１６０によつて接続する。

復調器１５６の出力は抵抗１６４を介して積分
増幅器１６６の一方の入力に接続され、その他方
の入力には線１６８によつて回路の基準線１３６
が接続されている。帰還コンデンサ１７０が増幅
器１６６の出力と前記一方の入力の間に接続され
ている。

第７図の回路はさらに出力ホロワ増幅器として
のトランジスタ１７２を含む。このトランジスタ
はプローブの増幅器４０，４２の信号の和および
差を表わす信号を加算する機能を有する。すなわ
ちトランジスタ１７２はベース端子１７４、コレ
クタ端子１７６およびエミツタ端子１７８を有す
る。プローブの増幅器の信号の和を表わす信号が
端子１１４に現われ、この信号がコンデンサ１８
０を介してベース端子１７４に与えられる。積分
増幅器１６６の出力も抵抗１８２を介してベース
端子１７４に与えられる。

コレクタ端子１７６は線１８４によつて定電圧
源ないし電池１９０の正端子に接続された回路端
子１８６に接続されている。電池１９０の負端子
は回路のアースないし基準点に接続されている。

エミツタ端子１７８は線１９２によつて回路の
基準線１３６に接続されている。エミツタ端子１
７８はさらに線１９２から線１９４を介して回路
出力端子１９６に接続され、この端子と端子１９
８の間に読取り装置２００が接続されている。

読取り装置２００は例えば第６図に示したメー
タ１０２とオシロスコープ１０９の組合わせある
いは静的および動的データの両方を読み取れる単
一の装置からなる。読取り装置２００の他方側は
接地されている。

エミツタ端子１７８はさらに線１９２と線１９
４によつてトランジスタ２０４のコレクタ端子に
接続されている。このトランジスタ２０４のエミ
ツタ端子は抵抗２０６を介して一対の定電圧源な
いし電池２０８，２１０の各負端子に接続されて
いる。電池２０８の正端子は接地されており、電
池２１０の正端子はトランジスタ２０４のベース
端子に接続されている。

第７図の回路はさらに電源２１２を含んでい
る。この電源は端子２１４および端子２１６から
回路に正および負のバイアス電圧を与える。電源
２１２には変圧器２１８を介して線間交流電圧
（linea.c.voltage）が与えられている。電源２１
２の基準線は線２２０によつて回路の基準線１３
６に接続されている。

第７図の回路は次のように動作する。プローブ
１８をその作用面２６が測定されるべき電界ない
し電位を有する試験面２０′に接触させずに近接
配置する。電極３２，３４を前述のようにしてト
ランスデユーサ３６によつて振動させる。発振器
１５０は約500ヘルツの周波数でトランスデユー
サ３６に駆動信号を与える。電極３２，３４が振
動すると、各電極と試験面２０′の静電結合が逆
の態様で変化する。すなわち、第３図、第４図に
ついて詳述したように、トランスデユーサ３６の
振動周期中、一方の電極と試験面２０′の間の静
電結合が増加するにつれて、他方の電極と試験面
２０′の間の静電結合が減少し、またこの逆の動
作が行なわれる。

電極３２，３４に誘起された信号は増幅器４
０，４２を介して第７図の回路で処理され、端子
１１４と１２０にそれぞれ和と差の信号を与え
る。端子１１４上の信号は試験面２０′に関連す
る電界ないし電位の動的データを含み、端子１２
０上の信号はプローブ１８と試験面２０′の間の
定電圧の大きさに比例する。

端子１１４，１２０に関連した回路ないしチヤ
ネル中の信号は出力ホロワ１７２で加算され、そ
の出力は第７図の回路の種々の共通点並びに電極
３２，３４およびプローブ１８の共通点に接続さ
れた共通線１３６に与えられる。このようにし
て、回路は試験面２０′上のデータの交流および
直流成分の両方に追従するように帰還駆動され
る。

これら交流および直流成分はホロワ出力と大地
の間に接続された読取り装置２００によつて読み
取られる。その結果、第７図の回路は広帯域幅非
接触型電圧ホロワとして機能する。

第７図の回路において、前述したようにホロワ
４０と４２の出力の差を表す信号は動的データを
も含むことができる。増幅器４０と４２の出力を
これら両出力の差を与える回路の前段でろ波する
ことによりトランスデユーサ３６の動作周波数よ
りもずつと高い周波数に対するこの回路ないしチ
ヤネルの応答性が除かれる。

このフイルタ処理は抵抗１３０とコンデンサ１
４２の組合わせ回路および抵抗１２２とコンデン
サ１４０の組合わせ回路によつて行なわれる。抵
抗１２２，１３０はそれぞれ抵抗値が約1kΩで
ありコンデンサ１４０，１４２はそれぞれ容量が
約0.15μFである。

発振器１５０の周波数が約500Hzであると、こ
のフイルタ回路の周波数応答は約1kHzでロール
オフ（roll off）する。抵抗１１６，１１８，１
２８，１３２はいずれも抵抗値が約1kΩであり、
増幅器１２６は−１の利得を有する。

復調器１５６としては二重平衡（double
balanced）復調器が好ましい。この復調器はe_put
＝Emax_iocosθの関係式に従つて動作する。ここ
にe_putは復調器の出力、Emax_ioは端子１２０上の
差信号から得られる復調器の入力、θは発振器１
５０からの信号と復調器の入力に与えられる端子
１２０の差信号との間の位相角である。復調器１
５６は端子１２０の差信号を使用して発振器１５
０の出力であるトランスデユーサ駆動信号に対す
る差信号の振幅と位相を決定する。

端子１２０上の差信号に関連する回路チヤネル
はトランスデユーサ３６の振動によつて生じた差
信号以外のすべての信号を識別する。発振器−復
調器組合わせ回路の帯域幅は約100Hzである。

第７図のシステムにおいて端子１２０からの差
信号を処理する回路は増幅器１２６のドリフトお
よび他のオフセツト（offsets）を許容できる比
較的低い速度のチヤネルであればよい。

差信号は復調されたあとさらにこのチヤネルを
通して積分増幅器１６６とコンデンサ１７０の組
合せからなる積分器ないし低域フイルタ
（lowpass filter）に送られる。このフイルタは
発振器１５０の周波数に対して低い周波数でロー
ルオフし、この差信号チヤネルが動的データに対
して応答しないように設計されている。例えば、
周波数ロールオフ（frequency roll off）を100
Hzに選定し、増幅器１６６の利得が１／RCであ
ると、コンデンサ１７０の容量は約0.016μF、抵
抗１６４の値は約100kΩに定められる。抵抗１
８２は約10kΩである。

端子１１４上の和信号に関連する第７図の回路
中のチヤネルは高速度チヤネルである。このチヤ
ネルの応答性は、他方のチヤネルを増大させ直流
からトランスデユーサ３６の振動周波数よりも十
分高い周波数に至るまでフラツト（平ら）な全周
波数応答性を与えるように設計することができ
る。例えば直流から約50kHzまでフラツトで、そ
こからロールオフするような周波数応答性を得る
ためには、端子１２０上の差信号に関連する低周
波数ないし低速度のチヤネルの周波数応答域内の
周波数において、コンデンサ１８０が約10kΩの
リアクタンスを持つ必要がある。抵抗１１０，１
１２はそれぞれ約2kΩである。

高速度チヤネルの周波数応答性がトランスデユ
ーサ３６の振動周波数の例えば1/10以下にまで及
ぶ場合は、高速度チヤネルはトランスデユーサ３
６の振動周波数に等しい試験面２０′上の周波数
が増幅器４０または４２に現われるのを許容しな
い。従つて、これらの特別な周波数による妨害は
ない。その結果、検出器信号のＣdV／dt成分とＶ dC／dt成分の分離が達成される。

前述の種々のコンデンサおよび抵抗の値は特定
の発振器出力周波数および回路の周波数応答性に
対して与えられた値であつて、他の異なる発振器
周波数および回路の周波数応答性に対しては異な
る値となる。

かように、第７図の回路においてプローブ１８
は試験ないし測定下にある帯電面上の静的および
動的データを電気的に識別するのに必要なデータ
を提供する。動的データのみを含む信号、すなわ
ち端子１１４上の和信号は高速度ホロワに与えら
れ、このホロワの出力はプローブ本体および前置
増幅器の共通帰線に再び与えられる。この帰還回
路はループを閉じて利得１（unity gain）に戻し
プローブが高精度で試験面上の動的データに追従
できるようにする。

加うるに試験面上の平均ないし静的（直流）電
圧に比例した信号を含む端子１２０上の差信号は
復調器および積分増幅器を含む別のループにおい
て使用され、ホロワに与えられる電圧の平均値を
調節し、それが試験面上の動的ないし直流データ
に追従できるようにする。

第８図はプローブのホロワ増幅器からの差信号
を復調し、同時に和信号と差信号を処理し、さら
に和信号と復調された差信号を単一のデータチヤ
ネルを介して出力ホロワ増幅器に与えるための本
発明の他の実施例を示す。

第８図において、電圧感応電極ないし検出器３
２″は線４４″によつてプローブのホロワ増幅器４
０″の入力に接続され、この増幅器４０″の出力は
プローブの出力端子５０″に接続されている。同
様に、電圧感応電極ないし検出器３４″が線４
６″によつてプローブのホロワ増幅器４２″の力に
接続され、この増幅器４２″の出力はプローブの
出力端子５４″に接続されている。

図示を簡単にするために、プローブのハウジン
グおよび電極を振動させるトランスデユーサは図
示されていないが、これらの構成要素およびその
電気的接続は第２図、第７図のプローブにおける
と同じである。第８図において端子５０″，５
４″の右側の回路は第７図の場合と同様にプロー
ブの外部にある。

試験面上に生じた動的データはＣdV／dtの項によ つて電極３２″または３４″に結合され、信号を増
幅器４０″，４２″の出力に出現させる。この結合
は、動的データが存在するときの振動している電
極の位置に応じて電極３２″もしくは３４″または
これら両電極に対して生じる。振動周期の一端位
置において、もし電極３２″が試験面に対して完
全に露呈され、かつ増幅器４０″の出力を次段の
ホロワに接続するスイツチが閉じられていれば、
動的データはこの次段のホロワに送られる。

同様に、振動周期の他端においては電極３４″
が試験面に完全に露呈され、このとき増幅器４
２″と次段のホロワの間に接続されたスイツチが
閉じられていれば動的データは次段のホロワに送
られる。バイブレータが第３Ｂ図に示すように周
期の中央位置にあるときは、試験面は両電極３
２″，３４″に結合され、このときは増幅器４０″
または４２″の出力に接続されたスイツチが閉じ
られる。

第８図の回路は上記スイツチング動作を振動部
材の位置の関数として行なわせる。このため電界
効果トランジスタスイツチがプローブの各ホロワ
増幅器と出力ホロワステージの間に接続されてい
る。電界効果トランジスタスイツチはバイブレー
タの振動を励起するのと同じ電源によつて動作さ
れる。すなわち、第１の半導体スイツチを構成す
るＮチヤネル電界効果トランジスタ２２４のソー
ス電極がプローブの出力端子５０″に、またドレ
イン電極が出力ホロワ増幅器１７２′の入力端子
１７４′にそれぞれ接続されている。

トランジスタ２２４のゲートないし制御端子は
抵抗２２６を介してプローブの出力端子５０″に
接続され、さらにこのゲート端子はダイオード２
２８のアノードにも接続されている。ダイオード
２２８のカソードは線２３０に接続され、この線
２３０には後に説明するように制御信号が与えら
れる。

第２の半導体スイツチを構成するＰチヤネル電
界効果トランジスタ２３２のソース端子とドレイ
ン端子がプローブの出力端子５４″とホロワ入力
端子１７４′にそれぞれ接続されている。トラン
ジスタ２３２の制御ないしゲート端子は抵抗２３
４を介してプローブの出力端子５４″に接続され、
さらにこのゲート端子はダイオード２３６のカソ
ードにも接続されている。ダイオード２３６のア
ノードはさらに線２３０に接続されている。

各トランジスタ２２４，２３２はそれぞれのゲ
ート端子に十分な大きさの電圧が加えられていな
いときは、ソース端子とドレイン端子の間で電気
的な閉スイツチとして機能し、十分な大きさの電
圧がゲート端子に加えられたときには、ソース端
子とドレイン端子の間で電気的な開スイツチとし
て機能する。

線２３０は増幅器２４０の出力に接続され、こ
の増幅器の入力には線２４２を介して例えば第７
図の回路の発振器１５０のようなバイブレータの
駆動信号源が接続される。

増幅器２４０は正弦波入力信号を方形波出力信
号に変換する。この変換は正弦波を増幅器の負端
子に加えて、この増幅器を閉ループモード
（open loop mode）で動作させることによつて
行なわれる。これによつて、バイブレータの波形
と位置が変換域（transition area）にあるとき、
すなわち、トランジスタスイツチがバイブレータ
の駆動周波数と同じ周波数および位相の方形波で
動作される間、動的データを逸することがなくな
る。

第８図の回路において、トランジスタスイツチ
２２４は、増幅器２４０の正の出力に対してオン
とされ、トランジスタスイツチ２３２は増幅器２
４０の出力電圧の負の値に対してオンとされる。

出力ホロワ増幅器１７２′は正の電圧源２４６
と負の電圧源２４８の間に接続されているが、こ
れらの電源は第７図の回路の電源１９０，２１０
に相当する。トランジスタ増幅器１７２′のエミ
ツタは線１９４′によつて第７図の回路と同様に
回路の出力端子に接続されている。

試験面が静的ないし直流情報を含んでいると、
信号が増幅器４０″，４２″の出力に発生する。こ
れらの信号はバイブレータの周波数と同じ周波数
を有するが、位相は逆の正弦波である。この正弦
波信号の振幅は静的情報の大きさに比例する。バ
イブレータ信号の位相に対するこの正弦波の位相
は静的データの極性に応じて０度または180度の
いずれかである。

上述の説明を第９図の波形で示す。波形２５０
はバイブレータに加えられた信号、波形２５２，
２５４は試験面が正の電圧を有するときの増幅器
４０″，４２″の出力信号をそれぞれ表わす。波形
２５６，２５８は、試験面上の電圧が負の値であ
るときの増幅器４０″，４２″の出力をそれぞれ表
わす。波形２６０は試験面の電圧が正の値である
ときの第８図の回路の端子１７４′に現われる復
調器の出力信号、また波形２６２は試験面の電圧
が負の値であるときの端子１７４′に現われる復
調器の出力信号である。従つて、試験面上の正ま
たは負の静的レベルに対する第８図の復調器回路
の出力は極性において試験面の極性と相関関係に
ある直流レベルである。この信号を使用して出力
ホロワに対する直流バイアスを確立し、このホロ
ワが試験面上の直流ないし静的データに追従でき
るようにすることができる。

第９図の波形において、波形２５０で示される
バイブレータの位置信号と波形２５２，２５４で
示される検出器３２″，３４″に誘起される信号と
の間には90度の移相（phase shift）がある。こ
の移相は、試験面の直流情報によつて検出電極の
表面上に誘起された電圧がレート誘起されたため
に生じる。

これらの誘起電圧は静電容量の変化率が最大の
ときに最大となる。静電容量の変化率が最大とな
るのは、バイブレータが中央位置、すなわち第３
Ｂ図に示す位置を通過するときである。増幅器２
４０は位相を元に戻して復調器において基準信号
と検知信号の間の移相を零にするように作用す
る。

第８図の検出器および復調器は試験面の静的ま
たは動的データに対する独自の信号を供給するこ
とができる。換言すれば、検出器の出力、すなわ
ち端子５０″，５４″における出力信号がＣdV／dtま たはＶdC／dtのいずれによつて発生されているかを 識別することができる。

第１０図〜第１２図は本発明の他の実施例によ
るプローブの構成を示す。このプローブは中空の
直方体で側壁の一方に孔２７６を有するハウジン
グ２７０からなる。孔２７６はハウジングの長軸
と平行な平面に設けられ、図示例では円形である
が、他の形状であつてもよい。

プローブはさらに音さの形状の振動手段ないし
バイブレータ２７８を含んでいる。バイブレータ
２７８はハウジング２７０内に両者の長軸が平行
になるように配備されている。バイブレータ２７
８はハウジング２７０に固定された取付部材２８
０に適当な締付手段例えばねじ２８２によつて取
付けられている。

バイブレータ２７８は間隔をおいた一対の歯な
いし指２８４，２８６を有し、各指の自由端付近
の一部が孔２７６と対向するようになつている。
両方の指の間のスロツトないし間隙はバイブレー
タ２７８の取付部材２８０への取付位置から短い
距離を隔てた所で終つている。バイブレータ２７
８は指２８４，２８６が孔２７６の平面に対しほ
ぼ直角方向に振動するように配置されている。

第１０図〜第１２図に示すプローブにおいて、
電圧感応電極ないし検出器は指２８４，２８６の
孔２７６に対向する面上に設けた導電材料からな
る区域ないし部材２８８，２９０からなる。電極
２８８は導電体ないし回路２９４によつてホロワ
形増幅器２９６に電気的に接続されている。電極
２９０は導電体ないし回路２９８によつてホロワ
形増幅器３００に電気的に接続されている。これ
らの電極、導体および増幅器からなる回路は標準
的なエツチング技術によつて音さ状部材２７８の
同じ側の面に形成され、増幅器は音さ状部材の指
とは反対側の基端部ないし連結端部に配置され
る。

バイブレータ２７８は、その指の自由端とは反
対側の端部で、かつ検出器および増幅器の配置さ
れている面とは反対側の面上において指２８４，
２８６に取付けられた圧電駆動素子ないしチツプ
３０２，３０４によつて振動させられる。電気信
号が適当な手段によつて圧電駆動素子３０２，３
０４に加えられ、公知のように指２８４，２８６
を振動させる。

検出電極２８８，２９０は図示例では半円形
で、常に孔２７６を通して測定される外部の電界
ないし電位に対して完全に露呈されている。駆動
素子３０２，３０４はバイブレータないし音さの
指、従つて検出器２８８，２９０が180度の位相
差で振動するように付勢される。換言すれば、一
方の検出器が孔２７６の方に向つて動くと、他方
の検出器が孔から離れるように動くというように
互いに逆の方向に動かされる。従つて一方の検出
器の試験面との静電結合が増加すると、他方の検
出器の試験面との静電結合は減少し、またこの逆
の動作をする。

検出器のこの位相はずれ運動（out−of−
phase motion）は、試験面の静電圧によつて検
出器に180度位相のずれた電圧を誘起し、一方、
試験面の動的データは検出器面に同相信号（in−
phase signals）を誘起する。

検出器に誘起されたこれら二種類のデータは第
８図に示したような位相感応復調器によつて処理
され、動的データおよび復調された静的データの
両者を含む信号を発生し、これをホロワ増幅器に
与える。この増幅器の出力は検出器のための共通
回路に帰還される。前述の実施例におけるように
この帰還によつて、このシステムは広い帯域幅を
有する高精度の非接触電圧計として機能する。

以下本発明の諸態様を要約するが、本発明はこ
れらに限定されるものではないこともちろんであ
る。

(1)(a) 一対の電圧感応電極と； (b) 前記電極とこれらの電極が露呈される電界
または電位との間の静電結合を互いに逆の態
様で変化させ前記電極に信号を誘起する手段
と； (c) 前記電界または電位に露呈される電気的基
準面を規定する手段と； (d) 入力と出力を有し電圧ホロワとして接続さ
れた出力増幅器と； (e) 一対の入力および一つの出力と、前記入力
の一方を前記電極の一方に結合する手段と、
前記入力の他方を前記電極の他方に結合する
手段と、前記出力を前記出力増幅器の入力に
結合する手段とを有し、前記電極に誘起され
た信号から得られる前記電界または電位の静
的および動的データを含む信号を前記増幅器
に加える信号処理手段と； (f) 前記増幅器の出力を前記電気的基準面に結
合するための手段とからなり； (g) これによつて前記増幅器出力を前記電界ま
たは電位の静的および動的特性に追随させる
ようにした静電電圧計。

(2) 前記電極を収容し、これらの電極を前記電界
または電位に露呈させるための開口を設けた作
用面を有するハウジングをさらに含む(1)項の装
置。

(3) 前記ハウジングの作用面が導電性材料からな
り、かつ前記電極と電気的に接続され、これに
よつて前記基準面を規定する前記電気的手段と
して作用するようにした(2)項の装置。

(4) 静電結合を変えるための前記手段が、前記ハ
ウジング内に配置され前記電極と動作連結され
たバイブレータ手段からなり、このバイブレー
タ手段が前記開口に対して前記電極を振動さ
せ、前記電極と外部電界または電位の間の静電
結合を、前記電極の一方の静電結合が前記電極
の他方の静電結合とは逆の態様で変化するよう
に、前記電極の振動率の関数として変化させる
ようにした(2)項の装置。

(5) 前記各電極が前記開口の平面に対して実質上
平行な平面に配置された作用面を有し、この平
面内で振動されるようにした(4)項の装置。

(6) 前記各電極が各振動サイクルにおいて、電極
の最少部分が露呈される位置と電極の最大部分
が露呈される位置との間を動かされるようにし
た(4)項の装置。

(7) 前記各電極が各振動サイクルにおいて、各電
極が前記開口から完全に外れる位置と各電極が
前記開口の全域に一致する位置との間を動かさ
れるようにした(4)項の装置。

(8) 前記各電極が前記開口の平面に対して実質上
平行な面内に配置された作用面を有し、前記平
面に対し直角方向に振動させられるようにした
(4)項の装置。

(9) 前記各電極の動作面の全域が各振動サイクル
において前記開口に完全に露呈され、前記電極
が180度位相がずれて振動するようにした(8)項
の装置。

(10) 前記信号処理回路が、 (a) 前記電極に誘起された前記信号の和を得る
回路手段を含む第１のチヤネルを前記電極と
前記ホロワ入力との間に規定する手段と； (b) 前記電極に誘起された前記信号の差を得る
回路手段を含む第２のチヤネルを前記電極と
前記ホロワ入力との間に規定する手段と、前
記第２のチヤネルを前記電界または電位の動
的特性に対して応答動作不能ならしめる手段
とを併せ有する手段とからなる(1)項の装置。

(11) 前記信号処理手段が、 (a) 前記電極に誘起された前記信号の和を得る
ために前記電極に接続された第１の回路と； (b) 前記信号の和を前記ホロワの入力に与える
ための第１の結合手段と； (c) 前記電極に誘起された前記信号の差を得る
ために前記電極に接続された第２の回路と； (d) 前記第２の回路に接続された入力と出力と
を有し、電界または電位の静的特性に比例す
る出力信号を発生する復調器と； (e) 前記復調器の出力を前記ホロワの入力に与
えるための第２の結合手段とからなる(4)項の
装置。

(12) 前記第１の結合手段がコンデンサである(11)項
の装置。

(13) 前記第２の結合手段が積分増幅器である(11)
項の装置。

(14) 前記信号処理手段が、 (a) 制御端子と一対の端子を有し、この一対の
端子の一つが前記電極の一方に接続され、他
方の端子が前記ホロワの入力に接続された第
１の半導体スイツチング手段と； (b) 制御端子と一対の端子を有し、この一対の
端子の一つが前記電極の他方に接続され、他
方の端子が前記ホロワの入力に接続された第
２の半導体スイツチング手段と； (c) 前記バイブレータ手段に作用接続され、こ
のバイブレータ手段の出力と周波数および位
相において相関関係を有する交流方形波信号
を発生する手段と； (d) 前記信号発生手段と前記第１および第２の
スイツチング手段の前記制御端子とに接続さ
れ、前記方形波信号の正の部分を前記スイツ
チング手段の一方に加え、前記方形波信号の
負の部分を前記スイツチング手段の他方に加
えるための回路手段とからなる(4)項の装置。

(15) 前記電圧感応電極の対応する電極に接続さ
れた入力と、前記信号処理手段に接続された出
力とを有し、前記電極に対して高インピーダン
ス負荷を与える一対のホロワ型増幅器を含む(1)
項の装置。

(16)(a) 測定されるべき外部の電界または電位に
対向配置され、開口を設けた作用面を有する
ハウジングと； (b) 前記ハウジング内に収容され、前記開口か
ら測定されるべき外部電界または電位に露呈
される作用面を有する一対の電圧感応電極
と； (c) 前記ハウジングに装備されるとともに前記
電極に作用接続され、前記開口に対して前記
電極を振動させることにより前記電極の作用
面と測定されるべき外部電界または電位との
間の静電結合を前記電極の振動率の関数とし
て、前記電極の一方の静電結合が前記電極の
他方の静電結合とは逆に変化するように、変
化させる振動手段とからなり； (d) これによつて測定されるべき外部電界また
は電位の静的および動的特性の情報を含む信
号を前記電極に誘起させるようにした非接触
型電圧計用検知器。

(17) 前記ハウジングの作用面が導電性材料から
なる（16）項の装置。

(18) 前記電極が前記ハウジングの作用面に電気
的に接続され、この作用面が基準として作用す
るようにした（17）項の装置。

(19) 前記各電極の作用面が前記開口の平面に対
して実質上平行な平面内に配置され、前記電極
がこの平面内で振動させられるようにした
（16）項の装置。

(20) 前記各電極が各振動サイクルにおいて前記
電極作用面の最小の部分が露呈される位置とそ
の最大部分が露呈される位置との間を動かされ
るようにした（16）項の装置。

(21) 前記各電極が各振動サイクルにおいて前記
開口の範囲から外れる位置と前記開口の全域に
一致する位置との間を動かされるようにした
（16）項の装置。

(22) 前記各電極が前記開口の平面に実質上平行
な平面に配置された作用面を有し、前記平面に
垂直な方向に振動させられるようにした（16）
項の装置。

(23) 前記各電極の作用面の全域が各振動サイク
ルにおいて前記開口に露呈され、前記電極が位
相が180度ずれて振動させられるようにした
（22）項の装置。

【図面の簡単な説明】

第１図は静電電圧計の基本的検出器の概略図、
第２図は本発明による検出器の概略図、第３Ａ図
第３Ｂ図第３Ｃ図は第２図の検出器の動作説明
図、第４図は第２図の検出器の動作によつて発生
する信号の波形図、第５図は第２図の検出器並び
に和および差信号を発生する関連回路を示す図、
第６図は本発明による非接触型電圧計の概略外観
図、第７図は本発明の一実施例の一部を省略した
回路図、第８図は他の実施例の回路図、第９図は
第８図の回路の動作を示す信号の波形図、第１０
図は本発明の他の実施例における検出器の平面
図、第１１図は第１０図の検出器の内部を示す
図、第１２図は第１１図の１２−１２線断面図で
ある。 １８……プローブ、２０，２０′……試験面、
２４，２７０……プローブハウジング、２６……
作用端面、２８……開口、３２，３２′，３２″，
３４，３４′，３４″，２８８，２９０……電極、
３６，２７８……バイブレータ（トランスデユー
サ）、６０……電気的基準点、１０２……指示計、
１０９……オシロスコープ、１３６……基準線、
１５０……発振器、１５６……復調器、１６６…
…積分増幅器、１７２，１７２′……出力増幅器、
２００……読取り装置、２８４，２８６……バイ
ブレータ２７８の指、２７６……孔、２９６，３
００……増幅器、３０２，３０４……圧電素子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 一対の電圧感応電極と； 前記各電極とこれらの電極が露呈される電界ま
   たは電位との間の静電結合を互いに逆の態様で変
   化させ前記各電極に信号を誘起させる手段と； 前記電界または電位に露呈される電気的基準面
   を規定する手段と； 入力と出力を有し電圧ホロワとして接続された
   出力増幅器と； 一対の入力および一つの出力と、前記入力の一
   方を前記電極の一方に結合する手段と、前記入力
   の他方を前記電極の他方に結合する手段と、前記
   出力を前記出力増幅器の入力に結合する手段とを
   有し、前記各電極に誘起された信号から得られる
   前記電界または電位の静的および動的データを含
   む信号を前記増幅器に加える信号処理手段と； 前記増幅器の出力を前記電気的基準面に結合す
   る手段とからなり； 前記増幅器の出力を前記電界または電位の静的
   および動的特性に追従させるようにしてなること
   を特徴とする静電電圧計。 ２ 測定される外部の電界または電位に対向配置
   され、開口を設けた作用面を有するハウジング
   と、前記ハウジング内に収容され、測定される外
   部電界または電位に前記開口を通して露呈される
   動作面を有する一対の電圧感応電極と、前記ハウ
   ジングに装備されるとともに前記電極に作用接続
   され、前記開口に対して前記電極を振動させるこ
   とにより前記各電極の作用面と測定される外部電
   界または電位の間の静電結合を、前記電極の振動
   率の関数として、前記電極の一方の静電結合が前
   記電極の他方の静電結合とは逆に変化するよう
   に、変化させる振動手段とからなり、測定される
   外部電界または電位の静的および動的特性の情報
   を含む信号が前記電極に誘起されるようにした検
   出器と； この検出器からの信号の処理回路と； からなることを特徴とする静電電圧計。